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ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO
FACULTAD DE MECÁNICA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
PROCEDIMIENTO DE REPARACIÓN E INSPECCIÓN DEL
RODETE FRANCIS DE LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA SAN
FRANCISCO MEDIANTE SUSTITUCIÓN DE MATERIAL DE LOS
ÁLABES POR INSERTOS METÁLICOS PREFABRICADOS
BALSECA CIFUENTES YIDEMNY ESTEFANÍA
TELENCHANA BARRIONUEVO ALEXIS PAUL
TRABAJO DE TITULACIÓN TIPO: PROYECTO TÉCNICO
Previa a la obtención del Título de:
INGENIERO MECÁNICO
RIOBAMBA – ECUADOR
2019
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ESPOCH Facultad de Mecánica
APROBACIÓN DEL TRABAJO DE TITULACIÓN 2018-04-23
Yo recomiendo que el Trabajo de Titulación preparado por:
BALSECA CIFUENTES YIDEMNY ESTEFANÍA
Titulado:
“PROCEDIMIENTO DE REPARACIÓN E INSPECCIÓN DEL RODETE
FRANCIS DE LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA SAN FRANCISCO
MEDIANTE SUSTITUCIÓN DE MATERIAL DE LOS ÁLABES POR
INSERTOS METÁLICOS PREFABRICADOS”
Sea aceptado como parcial complementación de los requerimientos para el título de:
INGENIERO MECÁNICO
Ing. Carlos José Santillán Mariño DECANO DE LA FAC. DE MECÁNICA
Nosotros coincidimos con esta recomendación:
Ing. Jorge Isaías Caicedo Reyes DIRECTOR DEL PROYECTO
Ing. Carlos Oswaldo Serrano Aguiar MIEMBRO DEL PROYECTO
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ESPOCH Facultad de Mecánica
APROBACIÓN DEL TRABAJO DE TITULACIÓN 2018-04-23
Yo recomiendo que el Trabajo de Titulación preparado por:
ALEXIS PAÚL TELENCHANA BARRIONUEVO
Titulado:
“PROCEDIMIENTO DE REPARACIÓN E INSPECCIÓN DEL RODETE
FRANCIS DE LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA SAN FRANCISCO
MEDIANTE SUSTITUCIÓN DE MATERIAL DE LOS ÁLABES POR
INSERTOS METÁLICOS PREFABRICADOS”
Sea aceptado como parcial complementación de los requerimientos para el título de:
INGENIERO MECÁNICO
Ing. Carlos José Santillán Mariño DECANO DE LA FAC. DE MECÁNICA
Nosotros coincidimos con esta recomendación:
Ing. Jorge Isaías Caicedo Reyes DIRECTOR DEL PROYECTO
Ing. Carlos Oswaldo Serrano Aguiar MIEMBRO DEL PROYECTO
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ESPOCH Facultad de Mecánica
EXAMINACIÓN DEL TRABAJO DE TITULACIÓN NOMBRE DEL ESTUDIANTE: YIDEMNY ESTEFANÍA BALSECA CIFUENTES TRABAJO DE TITULACIÓN: “PROCEDIMIENTO DE REPARACIÓN E
INSPECCIÓN DEL RODETE FRANCIS DE LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA
SAN FRANCISCO MEDIANTE SUSTITUCIÓN DE MATERIAL DE LOS
ÁLABES POR INSERTOS METÁLICOS PREFABRICADOS”
Fecha de Examinación: 2019-02-14 RESULTADO DE LA EXAMINACIÓN:
COMITÉ DE EXAMINACIÓN APRUEBA NO
APRUEBA FIRMA
Ing. Edwin Viteri Núñez PRESIDENTE TRIB. DEFENSA
Ing. Isaías Caicedo Reyes DIRECTOR DEL PROYECTO
Ing. Carlos Serrano Aguiar MIEMBRO DEL PROYECTO
* Más que un voto de no aprobación es razón suficiente para la falla total.
RECOMENDACIONES: El Presidente del Tribunal certifica que las condiciones de la defensa se han cumplido.
Ing. Edwin Fernando Viteri Núñez PRESIDENTE DEL TRIBUNAL
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ESPOCH Facultad de Mecánica
EXAMINACIÓN DEL TRABAJO DE TITULACIÓN NOMBRE DEL ESTUDIANTE: ALEXIS PAÚL TELENCHANA BARRIONUEVO TRABAJO DE TITULACIÓN: “PROCEDIMIENTO DE REPARACIÓN E
INSPECCIÓN DEL RODETE FRANCIS DE LA CENTRAL HIDROELÉCTRICA
SAN FRANCISCO MEDIANTE SUSTITUCIÓN DE MATERIAL DE LOS
ÁLABES POR INSERTOS METÁLICOS PREFABRICADOS”
Fecha de Examinación: 2019-02-14 RESULTADO DE LA EXAMINACIÓN:
COMITÉ DE EXAMINACIÓN APRUEBA NO
APRUEBA FIRMA
Ing. Edwin Viteri Núñez PRESIDENTE TRIB. DEFENSA
Ing. Isaías Caicedo Reyes DIRECTOR DEL PROYECTO
Ing. Carlos Serrano Aguiar MIEMBRO DEL PROYECTO
* Más que un voto de no aprobación es razón suficiente para la falla total.
RECOMENDACIONES: El Presidente del Tribunal certifica que las condiciones de la defensa se han cumplido.
Ing. Edwin Fernando Viteri Núñez PRESIDENTE DEL TRIBUNAL
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DERECHOS DE AUTORÍA
El Trabajo de Titulación que presento, es original y basado en el proceso de investigación
y/o adaptación tecnológica establecido en la Facultad de Mecánica de la Escuela Superior
Politécnica de Chimborazo. En tal virtud, los fundamentos teóricos-científicos y los
resultados son de exclusiva responsabilidad del autor. El patrimonio intelectual le
pertenece a la Escuela Superior Politécnica de Chimborazo.
Yidemny Estefanía Balseca Cifuentes
Alexis Paúl Telenchana Barrionuevo
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DECLARACIÓN DE AUTENTICIDAD
Nosotros, Yidemny Estefanía Balseca Cifuentes y Alexis Paúl Telenchana Barrionuevo,
declaramos que el presente Trabajo de Titulación es de nuestra autoría y que los
resultados del mismo son auténticos y originales. Los textos constantes en el documento
que provienen de otra fuente están debidamente citados y referenciados.
Como autores, asumimos la responsabilidad legal y académica de los contenidos de este
Trabajo de Titulación.
Yidemny Estefanía Balseca Cifuentes
Cedula de Identidad: 060375801-2
Alexis Paúl Telenchana Barrionuevo
Cedula de Identidad: 185002086-6
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DEDICATORIA
Han pasado 23 años desde el día en que los conocí y sé que desde ese día o tal vez mucho
antes, ustedes ya estaban pensando en cómo brindarme lo mejor. Cada día he visto cómo
trabajan tan arduamente por sus hijos, esperando que tengan un futuro brillante y lleno de
éxitos. Juan y Martha, gracias por ser los mejores padres del mundo, este logro es para
ustedes.
Yidemny Estefanía Balseca Cifuentes
A mis padres Jorge y Lupita, a mi hermano Jorge y mis hermanas Alejandra y Lisbeth,
por haberme apoyado en todo momento, por sus consejos, sus valores, por la motivación
constante que me ha permitido ser una persona de bien, pero más que nada, por su amor,
y además gracias a su anhelo de superación me dieron las fuerzas para poder culminar
una etapa más en mi formación estudiantil – profesional.
Alexis Paúl Telenchana Barrionuevo
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AGRADECIMIENTO
A mis padres por su apoyo absoluto en esta etapa de mi formación como profesional. A
mi familia y amigos por apoyarme en cada decisión y proyecto. A mis maestros por el
esfuerzo realizado para trasmitir sus conocimientos y formar un profesional integro no
solo en lo académico sino también en lo personal. A todos los colaboradores del Centro
de Investigación y Recuperación de Turbinas y partes Industriales por brindarme su
amistad y apoyo desinteresado día a día durante el desarrollo de mi trabajo de titulación.
A la ESPOCH por realizar acuerdos de cooperación con empresas que permiten el
desarrollo de sus futuros profesionales. El camino no fue fácil, pero gracias a cada uno
de ustedes se hizo más ameno, gracias por ser personas maravillosas y por formar parte
de él.
Yidemny Estefanía Balseca Cifuentes
A Dios por haberme permitido llegar hasta este punto y haberme dado salud para lograr
mis objetivos, además de su infinita bondad y amor. A mis padres, hermano y hermanas
por el ejemplo de perseverancia y constancia que los caracteriza y que me han infundado
siempre, por el valor mostrado para salir adelante y por su gran amor. A todo el personal
del CIRT por brindarme su amistad, apoyo y compartir todos sus conocimientos día a día
durante el desarrollo de este trabajo. A mis amigos que mutuamente nos apoyamos en
nuestra formación académica y que de una u otra manera han sido un apoyo al realizar
este trabajo. A los maestros que marcaron cada etapa de mi camino universitario, en
especial al Ing. Isaías Caicedo e Ing. Carlos Serrano que nos ayudaron en asesorías y
dudas presentadas en la elaboración de este trabajo.
Alexis Paúl Telenchana Barrionuevo
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TABLA DE CONTENIDO
Pág.
RESUMEN
ABSTRACT
INTRODUCCIÓN
CAPÍTULO I
1. MARCO REFERENCIAL ............................................................................... 1
1.1 Antecedentes ....................................................................................................... 1
1.2 Formulación del problema .................................................................................. 2
1.3 Justificación ........................................................................................................ 3
1.4 Alcance ............................................................................................................... 3
1.5 Objetivos ............................................................................................................. 4
1.5.1 Objetivo general ................................................................................................. 4
1.5.2 Objetivos específicos .......................................................................................... 4
CAPÍTULO II
2. MARCO TEÓRICO ......................................................................................... 5
2.1 Generación eléctrica en Ecuador ........................................................................ 5
2.1.1 Centrales hidroeléctricas ................................................................................... 6
2.2 Turbinas utilizadas para la generación ............................................................... 7
2.2.1 Tipos de turbinas ................................................................................................ 7
2.2.1.1 Turbinas de acción ............................................................................................. 7
2.2.1.2 Turbinas de reacción .......................................................................................... 8
2.2.2 Principales características de funcionamiento ................................................ 10
2.3 Tipos de desgaste en los álabes ........................................................................ 11
2.3.1 Abrasión ............................................................................................................ 13
2.3.2 Erosión .............................................................................................................. 14
2.3.2.1 Corte por erosión .............................................................................................. 15
2.3.2.2 Fatiga superficial ............................................................................................. 15
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2.3.2.3 Deformación plástica ....................................................................................... 15
2.3.2.4 Fractura por fragilidad .................................................................................... 16
2.3.3 Cavitación ......................................................................................................... 18
2.3.3.1 Efectos de la cavitación .................................................................................... 20
2.3.3.2 Formas en que se presenta la cavitación ......................................................... 21
2.3.3.3 Clasificación de la cavitación .......................................................................... 21
2.3.3.4 Influencia en Turbinas Francis ........................................................................ 23
2.3.4 Fatiga ................................................................................................................ 24
2.3.5 Microscopia electrónica de barrido - Análisis mecanismos falla y desgaste .. 25
2.4 Zonas críticas de un rodete Francis .................................................................. 26
2.5 Materiales utilizados en la fabricación de rodetes ............................................ 28
2.5.1 Propiedades del acero ASTM A743 CA6NM ................................................... 28
2.5.2 Propiedades del acero ASTM A182 F6NM ...................................................... 30
2.5.3 Propiedades microestructurales de los aceros inoxidables martensíticos ....... 31
2.5.3.1 Fases presentes dentro de los aceros inoxidables ............................................ 34
2.6 Reparación de rodetes ....................................................................................... 38
2.6.1 Reparación por relleno con soldadura ............................................................. 39
2.6.1.1 Materiales de aporte utilizados para reparación ............................................. 39
2.6.1.2 Técnicas de soldadura empleadas en la reparación ........................................ 40
2.6.1.3 Metalurgia de la soldadura .............................................................................. 41
2.6.1.4 Aspectos fundamentales en el proceso de reparación ...................................... 57
2.6.1.5 Causas y medidas de corrección de cavitación en rodetes Francis ................. 61
2.6.2 Reparación mediante adhesión de cerámicos .................................................. 61
2.7 Control de calidad aplicado al proceso de reparación ...................................... 63
2.7.1 Control mediante ensayos no destructivos (END) ........................................... 63
2.7.1.1 Inspección visual (VT) ...................................................................................... 64
2.7.1.2 Tintas penetrantes (PT) .................................................................................... 65
2.7.1.3 Partículas magnéticas ...................................................................................... 67
2.7.1.4 Ultrasonido ....................................................................................................... 68
2.7.1.5 Dureza .............................................................................................................. 71
2.7.1.6 Espectrometría .................................................................................................. 74
2.7.2 Control mediante ensayos destructivos (ED) ................................................... 74
2.7.2.1 Ensayo de tracción ........................................................................................... 75
2.7.2.2 Ensayo de impacto Charpy ............................................................................... 75
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2.7.3 Control metalográfico ...................................................................................... 76
2.7.3.1 Análisis microestructural ................................................................................. 77
2.7.3.2 Análisis de inclusiones ...................................................................................... 78
CAPÍTULO III
3. MARCO METODOLÓGICO ....................................................................... 82
3.1 Etapa 1: Antes de la reparación ........................................................................ 83
3.1.1 Revisión reparaciones previas en el rodete ...................................................... 83
3.1.1.1 Reparación de fisura del álabe #04 .................................................................. 84
3.1.1.2 Reparación de fisura del álabe #08 .................................................................. 85
3.1.1.3 Reparación de fisura del álabe #09 .................................................................. 85
3.1.2 Inspección de desgaste ..................................................................................... 87
3.1.3 Control dimensional ......................................................................................... 88
3.1.4 Remoción del recubrimiento. ............................................................................ 89
3.1.5 Caracterización del material ............................................................................ 90
3.1.5.1 Espectrometría .................................................................................................. 91
3.1.5.2 Medición de dureza .......................................................................................... 92
3.1.5.3 Metalografía en campo ..................................................................................... 94
3.2 Etapa 2: Durante la reparación ......................................................................... 96
3.2.1 Corte de los álabes mediante plasma ............................................................... 96
3.2.2 Control de calidad de los insertos .................................................................... 98
3.2.2.1 Caracterización del material de insertos metálicos prefabricados .................. 99
3.2.2.2 Control dimensional de insertos metálicos prefabricados ............................. 102
3.2.2.3 Ensayos no destructivos en insertos metálicos prefabricados ....................... 103
3.2.3 Presentación de insertos ................................................................................. 113
3.2.4 Soldadura de insertos ..................................................................................... 115
3.2.5 Pulido de los álabes acorde a los planos ....................................................... 117
3.3 Etapa 3: Después de la reparación .................................................................. 118
3.3.1 Control de calidad de las juntas soldadas ...................................................... 118
3.3.1.1 Inspección visual (VT) .................................................................................... 118
3.3.1.2 Inspección con tintas penetrantes (PT) .......................................................... 119
3.3.1.3 Inspección con partículas magnéticas (MT)................................................... 120
-
3.3.1.4 Inspección con ultrasonido (UT) .................................................................... 121
3.3.2 Caracterización de juntas soldadas pre tratamiento térmico ........................ 121
3.3.3 Tratamiento térmico ....................................................................................... 122
3.3.4 Caracterización de juntas soldadas post tratamiento térmico ....................... 123
3.4 Actividades adicionales .................................................................................. 124
3.4.1 Análisis afectación del material por corte con plasma .................................. 124
3.4.1.1 Medición de micro dureza .............................................................................. 124
3.4.1.2 Análisis metalográfico en laboratorio ............................................................ 126
3.4.2 Análisis del mecanismo de desgaste mediante MEB ...................................... 128
3.4.3 Ensayos destructivos del material ASTM A743 CA6NM ................................ 130
3.4.3.1 Ensayo de tracción ......................................................................................... 131
3.4.3.2 Ensayo de impacto .......................................................................................... 133
CAPÍTULO IV
4. MARCO DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN ........................................... 135
4.1 Resultados inspección de desgaste ................................................................. 135
4.1.1.1 Resultados análisis mecanismo de desgaste mediante MEB .......................... 136
4.2 Resultados control dimensional ...................................................................... 139
4.2.1 Control de luz entre álabes ............................................................................. 140
4.2.2 Control de desgaste ........................................................................................ 141
4.3 Resultados remoción de recubrimiento .......................................................... 142
4.4 Resultados caracterización del material – Etapa 1 ......................................... 143
4.4.1 Resultados espectrometría .............................................................................. 143
4.4.2 Resultados medición de dureza ...................................................................... 143
4.4.3 Resultados metalografía ................................................................................. 144
4.4.4 Ensayos destructivos ....................................................................................... 145
4.5 Resultados corte de los álabes con plasma ..................................................... 146
4.5.1 Cambios a nivel microestructural del material .............................................. 146
4.5.2 Cambios de dureza del material ..................................................................... 147
4.6 Control de calidad de los insertos ................................................................... 148
4.6.1 Resultados escaneo 3D ................................................................................... 148
4.6.2 Resultados espectrometría .............................................................................. 150
-
4.6.3 Resultados medición de dureza ...................................................................... 151
4.6.4 Resultados metalografía ................................................................................. 151
4.6.5 Resultados inspección con tintas penetrantes (PT) ........................................ 152
4.6.6 Resultados inspección con partículas magnéticas (MT) ................................ 152
4.6.7 Resultados inspección con ultrasonido (UT) .................................................. 152
4.7 Control de Calidad de la junta soldada del álabe #01 ..................................... 152
4.7.1 Resultados PT - Junta soldada del álabe #01 ................................................ 153
4.7.2 Resultados MT - Junta soldada del álabe #01 ............................................... 153
4.7.3 Resultados UT - Junta soldada del álabe #01 ................................................ 153
4.8 Control de Calidad de la junta soldada placa.................................................. 153
4.8.1 Resultados PT - Junta soldada placa ............................................................. 153
4.8.2 Resultados MT - Junta soldada placa ............................................................ 153
4.8.3 Resultados UT - Junta soldada placa ............................................................. 154
4.9 Caracterización de juntas soldadas pre y post tratamiento térmico ................ 154
4.9.1 Cambios de dureza de la junta ....................................................................... 154
4.9.2 Análisis metalográfico probetas junta soldada sin TT y con TTPS................ 157
4.9.2.1 Probeta sin tratamiento térmico ..................................................................... 157
4.9.2.2 Probeta con tratamiento térmico a 580ºC ...................................................... 159
4.9.2.3 Probeta con tratamiento térmico a 600ºC ...................................................... 160
4.9.2.4 Probeta con tratamiento térmico a 620ºC ...................................................... 162
4.9.2.5 Medición de bandas en metal base de probetas con TT ................................. 163
4.9.3 Resumen análisis microestructural de la junta con y sin TT .......................... 164
4.9.4 Resumen análisis de inclusiones ..................................................................... 166
CONCLUSIONES ...................................................................................................... 167
RECOMENDACIONES ............................................................................................ 170
BIBLIOGRAFÍA
ANEXOS
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2-1: Características turbinas Francis - Central Hidroeléctrica San Francisco. .... 10
Tabla 2-2: Materiales de rodetes recuperados en el CIRT. ........................................... 28
Tabla 2-3: Composición química ASTM A743 Gr. CA6NM. ...................................... 29
Tabla 2-4: Propiedades mecánicas ASTM A743 Gr. CA6NM. .................................... 29
Tabla 2-5: Composición química ASTM A182 Gr. F6NM. .......................................... 30
Tabla 2-6: Propiedades mecánicas ASTM A182 Gr. F6NM. ........................................ 30
Tabla 2-7: Influencia de los principales elementos aleantes en el acero inoxidable. .... 31
Tabla 2-8: Métodos de soldadura usados en reparación de rodetes y características. ... 40
Tabla 2-9: Soldabilidad en función de porcentaje de carbono y elementos aleantes. ... 45
Tabla 2-10: Precalentamiento y TTPS en aceros inoxidables martensíticos. ................ 48
Tabla 2-11: Causas comunes de defectos de soldadura y soluciones. ........................... 55
Tabla 2-12: Acabado superficial (pulido rodetes) en función de cabeza de presión. .... 59
Tabla 2-13: Causas y medidas de corrección de cavitación en rodetes Francis. ........... 61
Tabla 2-14: Tipos de Belzona usados en reparación de rodetes .................................... 62
Tabla 2-15: Clasificación de tipos y métodos de tintas penetrantes. ............................. 66
Tabla 2-16: Ventajas y limitaciones de ensayo de tintas penetrantes. ........................... 67
Tabla 2-17: Ventajas y limitaciones de ensayo de partículas magnéticas. .................... 68
Tabla 2-18: Ventajas y limitaciones de ensayo de ultrasonido. ..................................... 69
Tabla 2-19: Carga e indentadores de escalas Rockwell. ................................................ 72
Tabla 2-20: Carga escala Vickers. ................................................................................. 73
Tabla 2-21: Variaciones permisibles en dimensiones de probetas de impacto.............. 76
Tabla 2-22: Reactivos utilizados para ataque químico. ................................................. 78
Tabla 2-23: Parámetros ancho y diámetro de inclusiones A .......................................... 80
Tabla 2-24: Números mínimos por niveles de severidad. ............................................. 80
Tabla 3-1: Procedimiento para inspección de desgaste. ................................................ 87
Tabla 3-2: Procedimiento para control dimensional. ..................................................... 88
Tabla 3-3: Procedimiento para Remoción del Recubrimiento. ..................................... 89
Tabla 3-4: Procedimiento para espectrometría. ............................................................. 91
Tabla 3-5: Procedimiento para medición de dureza con durómetro magnético. ........... 93
Tabla 3-6: Procedimiento para metalografía en campo. ................................................ 94
Tabla 3-7: Procedimiento para corte mediante plasma. ................................................. 97
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Tabla 3-8: Composición química solicitada – Insertos metálicos prefabricados. ......... 99
Tabla 3-9: Propiedades mecánicas solicitadas - Insertos metálicos prefabricados. ....... 99
Tabla 3-10: Caracterización material de insertos metálicos prefabricados. ................ 100
Tabla 3-11: Control dimensional mediante escaneo 3D. ............................................. 103
Tabla 3-12: Niveles de calidad para END. .................................................................. 104
Tabla 3-13: Procedimiento para ensayo de tintas penetrantes. .................................... 105
Tabla 3-14: Tipos de discontinuidades PT. ................................................................. 106
Tabla 3-15: Criterios de aceptación PT. ...................................................................... 107
Tabla 3-16: Procedimiento para ensayo de partículas magnéticas. ............................. 108
Tabla 3-17: Niveles de aceptación para reflectores con dimensiones medibles .......... 110
Tabla 3-18: Procedimiento para ensayo de ultrasonido. .............................................. 110
Tabla 3-19: Método DAC SDH - Niveles de inspección y evaluación (60º). ............. 112
Tabla 3-20: Número máximo de reflectores no medibles. .......................................... 113
Tabla 3-21: Niveles de aceptación para reflectores con dimensiones medibles .......... 113
Tabla 3-22: Presentación de insertos. .......................................................................... 114
Tabla 3-23: Soldadura de insertos. .............................................................................. 115
Tabla 3-24: Procedimiento para ensayo de inspección visual. .................................... 119
Tabla 3-25: Procedimiento para el ensayo de micro dureza. ....................................... 124
Tabla 3-26: Procedimiento para metalografía en laboratorio. ..................................... 127
Tabla 3-27: Procedimiento análisis mecanismo de desgaste mediante MEB. ............. 129
Tabla 3-28: Procedimiento para ensayo de tracción. ................................................... 131
Tabla 3-30: Procedimiento para el ensayo de impacto. ............................................... 133
Tabla 4-1: Composición química recubrimientos aplicados a elementos hidráulicos. 139
Tabla 4-2: Rango de luz permisible entre álabes del Rodete Francis de la CHSF. ..... 140
Tabla 4-3: Luz entre álabes Rodete Francis de la CHSF antes de la reparación. ........ 140
Tabla 4-4: Holgura a la entrada del Rodete Francis de la CHSF. ................................ 141
Tabla 4-5: Holgura a la salida del Rodete Francis de la CHSF. .................................. 142
Tabla 4-6: Resultados espectrometría - Álabes 4, 8 y 9 del Rodete Francis CHSF. ... 143
Tabla 4-7: Medición de dureza - Álabes 4, 8 y 9 del Rodete Francis CHSF. .............. 143
Tabla 4-8: Resultados Ensayo de Tracción en Acero ASTM A743 Gr. CA6NM. ...... 145
Tabla 4-9: Resultados del Ensayo de Impacto. ............................................................ 145
Tabla 4-10: Valores micro dureza medida a partir del borde de corte por plasma. ..... 147
Tabla 4-11: Resultados espectrometría insertos metálicos prefabricados 3, 7, 9 y 13. 150
Tabla 4-12: Medición de dureza de insertos metálicos prefabricados 3, 7, 9 y 13. ..... 151
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Tabla 4-13: Dureza Brinell Junta soldada con TT a diferentes temperaturas. ............. 154
Tabla 4-14: Tamaño de agujas de martensita en la junta soldada. .............................. 165
Tabla 4-15: Ancho de bandas martensíticas y austeníticas a diferentes temperaturas. 165
Tabla 4-16: Número de severidad de las diferentes probetas de la junta soldada. ...... 166
Tabla 4-17: Número de severidad obtenida en diferentes procesos. ........................... 166
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ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2-1: Centrales de generación en el Ecuador. ........................................................ 5
Figura 2-2: Rodete Kaplan. ............................................................................................. 8
Figura 2-3: Rodete Pelton de la Central Hidroeléctrica Coca Codo Sinclair. ................. 9
Figura 2-4: Rodete Francis de la Central Hidroeléctrica Lumbaqui. ............................ 10
Figura 2-5: Ubicación de los principales componentes de la Turbina Francis. ............. 11
Figura 2-6: Mecanismos de desgaste abrasivo. ............................................................. 13
Figura 2-7: Parámetros del desgaste por erosión. .......................................................... 14
Figura 2-8: Mecanismos de desgaste erosivo. ............................................................... 15
Figura 2-9: Tasa de erosión como función del ángulo de impacto. ............................... 16
Figura 2-10: Superficie erosionada del Rodete Francis de la U1 de la CHSF. ............. 17
Figura 2-11: a) superficie erosionada (izq), b) superficie cavitada (der). ..................... 17
Figura 2-12: Diagrama presión-temperatura. ................................................................ 18
Figura 2-13: Reducción de área de la burbuja de vapor. ............................................... 20
Figura 2-14: Cavitación fija (movimiento de burbujas en un rodete Francis. ............... 22
Figura 2-15: Cavitación entre álabes. ............................................................................ 22
Figura 2-16: Cavitación por vórtices (Cavitación whirl con baja carga). ..................... 23
Figura 2-17: Daños por cavitación en los álabes de una Turbina Francis. .................... 23
Figura 2-18: Formación de grietas. ............................................................................... 24
Figura 2-19: Imágenes obtenida con detector de electrones retro dispersados. ............ 25
Figura 2-20: Imágenes obtenida con detector de electrones secundarios. ..................... 26
Figura 2-21: Identificación y diferenciación de las zonas críticas de desgaste. ............ 26
Figura 2-22: Caída de presión del Rodete Francis. ....................................................... 27
Figura 2-23: Picaduras en álabe turbina hidráulica debido a erosión por cavitación .... 28
Figura 2-24: Rango de contenido de Cr y Ni en aceros inoxidables. ............................ 29
Figura 2-25: Tipos aceros inoxidables en función de % de: a) Cr y Ni, b) Cr y C. ...... 32
Figura 2-26: Diagrama de equilibrio Fe-Cr. .................................................................. 32
Figura 2-27: Diagrama pseudobinario Fe-Cr-C con 13%Cr. ........................................ 34
Figura 2-28: Cizallamiento e inclinación de superficie formación martensita (placas).35
Figura 2-29: Temperatura Ms en función del contenido de carbono. ........................... 36
Figura 2-30: Componentes y morfología de la martensita en forma de listones. .......... 36
Figura 2-31: Reparación de Rodete Pelton por relleno con soldadura. ......................... 39
-
Figura 2-32: Zonas de rodete Francis sometidas a alto esfuerzo. .................................. 40
Figura 2-33: Zonas de soldadura. .................................................................................. 42
Figura 2-34: Relación - Tamaño de grano de zonas pozo de soldadura y temperatura. 43
Figura 2-35: Regiones de la ZAC y temperaturas pico alcanzadas acero inox 13-4. .... 43
Figura 2-36: Subregiones ZAC acero inoxidable martensítico ASTM A743 CA6NM. 44
Figura 2-37: Zonas críticas diagrama de Schaeffler. ..................................................... 46
Figura 2-38: Evolución de la ZAC en soldadura con múltiples pases........................... 47
Figura 2-39: Diagrama CCT para el acero ASTM A743 Gr. CA6NM. ........................ 51
Figura 2-40: Microestructura acero ASTM A743 CA6NM homogenizado y revenido 53
Figura 2-41: Prop. Mecánicas y % austenita en función de temperatura de revenido. . 54
Figura 2-42: Control dimensional – Medición luz entre álabes. ................................... 57
Figura 2-43: Plantillas de control de perfil para rodete Francis. ................................... 57
Figura 2-44: Aplicación de refuerzos para soldadura. ................................................... 58
Figura 2-45: Plantillas de control de perfil para rodete Francis. ................................... 59
Figura 2-46: Fisura en álabe del rodete Francis HSF. ................................................... 60
Figura 2-47: Reparación de álabes mediante cerámicos. .............................................. 62
Figura 2-48: Procedimiento de ensayo de tintas penetrantes. ....................................... 65
Figura 2-49: Ensayo de tintas penetrantes rodete Pelton. .............................................. 66
Figura 2-50: MT en rodete Francis de la Central Hidroeléctrica Agoyán. .................... 68
Figura 2-51: Ultrasonido - Método pulso-eco. .............................................................. 69
Figura 2-52: Inspección de rodete Pelton con ultrasonido PA. ..................................... 70
Figura 2-53: Visualización de representaciones A, B y S Scan. ................................... 70
Figura 2-54: Distancia entre indentaciones Brinell. ...................................................... 71
Figura 2-55: Distancia indentaciones Rockwell. ........................................................... 72
Figura 2-56: Indentador Vickers y distancia entre indentaciones. ................................ 73
Figura 2-57: Espectrómetro de emisión por chispa. ...................................................... 74
Figura 2-58: Probetas ensayo de impacto para metales ferrosos ................................... 76
Figura 2-59: Preparación metalográfica – pulido espejo. .............................................. 77
Figura 2-60: Tipos de inclusiones ................................................................................. 79
Figura 3-1: Fisura álabe #04 U2 .................................................................................... 84
Figura 3-2: Reparaciones fisura álabe #04 U2 .............................................................. 84
Figura 3-3: Reparación fisura álabe #08. ...................................................................... 85
Figura 3-4: Fisura álabe #09 U2 .................................................................................... 85
Figura 3-5: Determinación de extensión de fisura y perforación álabe #09 U2 ............ 86
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Figura 3-6: Reparación álabe #09 U2 ............................................................................ 86
Figura 3-7: Zonas de inspección de desgaste de los álabes. .......................................... 88
Figura 3-8: Zonas de inspección del álabe del Rodete Francis. .................................. 104
Figura 3-9: Ensayo de tintas penetrantes en junta soldada. ......................................... 120
Figura 3-10: Ensayo de partículas magnéticas en junta soldada. ................................ 120
Figura 3-11: Ensayo de ultrasonido en junta soldada. ................................................. 121
Figura 3-12: Junta soldada y END realizados previo a su caracterización. ................ 122
Figura 3-13: Ciclos térmicos para los tratamientos realizados en la reparación. ........ 123
Figura 3-14: Probetas luego de ser sometidas a tratamiento térmico. ......................... 123
Figura 4-1: (1) Corte por erosión y (2) erosión por cavitación ................................... 135
Figura 4-2: Zona desgastada del Rodete Francis de la CHSF. .................................... 136
Figura 4-3: Topografía de erosión abrasiva en el Acero ASTM A743 Gr. CA6NM. . 136
Figura 4-4: Topografía progreso de desgaste. ............................................................. 137
Figura 4-5: Mala adherencia del Carburo de Tungsteno en el acero. .......................... 137
Figura 4-6: Superficie del álabe con metalizado. ........................................................ 138
Figura 4-7: Mapeo zona de análisis mecanismo de desgaste. ..................................... 139
Figura 4-8: Superficie luego de la remoción del recubrimiento .................................. 142
Figura 4-9: Análisis microestructural e inclusiones reparaciones en sitio álabe #09. . 144
Figura 4-10: Análisis microestructural e inclusiones de material cortado por plasma 146
Figura 4-11: Análisis de inclusiones de material cortado por plasma. ........................ 146
Figura 4-12: Inspección dimensional computarizada – Inserto #03 ............................ 149
Figura 4-13: Inspección dimensional computarizada – Inserto #07. ........................... 149
Figura 4-14: Inspección dimensional computarizada – Inserto #09 ............................ 149
Figura 4-15: Inspección dimensional computarizada – Inserto #13 ............................ 150
Figura 4-16: Análisis microestructural e inclusiones acero ASTM A182 Gr. F6NM. 152
Figura 4-17: Medición de dureza de la junta soldada. ................................................. 154
Figura 4-18: Análisis microestructural e inclusiones metal fundido – Probeta sin TT 157
Figura 4-19: Análisis microestructural e inclusiones ZAC – Probeta sin TT. ............ 158
Figura 4-20: Análisis microestructural e inclusiones MB – Probeta sin TT. .............. 158
Figura 4-21: Análisis microestructural e inclusiones MF – Probeta TT 580ºC. ......... 159
Figura 4-22: Análisis microestructural e inclusiones ZAC – Probeta TT 580ºC. ....... 159
Figura 4-23: Análisis microestructural e inclusiones MB – Probeta TT 580ºC. ......... 160
Figura 4-24: Análisis microestructural e inclusiones MF – Probeta TT 600ºC. ......... 160
Figura 4-25: Análisis microestructural e inclusiones ZAC – Probeta TT 600ºC. ....... 161
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Figura 4-26: Análisis microestructural e inclusiones MB – Probeta TT 600ºC. ......... 161
Figura 4-27: Análisis microestructural e inclusiones MF – Probeta TT 620ºC. ......... 162
Figura 4-28: Análisis microestructural e inclusiones ZAC – Probeta TT 620ºC. ....... 162
Figura 4-29: Análisis microestructural e inclusiones MB – Probeta TT 620ºC. ......... 163
Figura 4-30: Bandas en MB de muestras sometidas a tratamiento térmico. ............... 164
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ÍNDICE DE GRÁFICOS
Gráfico 2-1: Interpretación y evaluación de indicaciones END. ................................... 64
Gráfico 3-1: Procedimiento de reparación convencional de rodetes. ............................ 82
Gráfico 3-2: Procedimiento de reparación de un rodete por sustitución de material. ... 83
Gráfico 4-1: Dureza en función de la distancia al borde cortado con plasma ............. 148
Gráfico 4-2: Variación dureza zonas junta soldada con TT diferentes temperaturas. . 156
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LISTA DE ANEXOS
ANEXO A. Probeta de Tracción.
ANEXO B. Probeta de Impacto.
ANEXO C. Bloque de Calibración – Ultrasonido Haz Angular.
ANEXO D. Plantillas de Control de Desgaste.
ANEXO E. Plano para Control de luz entre álabes.
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SIMBOLOGÍA
Ms Temperatura a la que inicia la transformación de austenita a martensita Mf Temperatura a la que finaliza la transformación de austenita a martensita HBW Dureza Brinell con indentador de carburo de tungsteno HRC Dureza Rockwell C HV Dureza Vickers γ Austenita γ′ Austenita retenida δ Ferrita delta α′ Martensita M𝑥Cy Carburos CE Carbono equivalente Ceq Carbono equivalente químico CEe Carbono equivalente del espesor Tp Temperatura de precalentamiento Fe3C Cementita Vpulido Velocidad de pulido D Diámetro de disco Rp0,2 Esfuerzo a la fluencia Rm Esfuerzo último a la tracción %A Porcentaje de alargamiento KCU Resistencia al impacto x̅ Promedia Sn−1 Desviación estándar CV Coeficiente de variación
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LISTA DE ABREVIACIONES
AC Corriente Alterna ASM Sociedad Americana de Materiales ASME Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos ASTM Sociedad Americana de Ensayos de Materiales AWS Sociedad Americana de Soldadura BCC Cúbico Centrado en el Cuerpo BCT Tetragonal Centrado en el Cuerpo CCH Cahier Des Charges CCT Transformación de Enfriamiento Continuo CELEC Corporación Eléctrica del Ecuador CIRT Centro de Investigación y Recuperación de Turbinas y Partes Industriales CNC Control Numérico Computarizado DAC Distance amplitud correction DC Corriente Continua DCEN Corriente Continua electrodo negativo DCEP Corriente Continua electrodo positivo DGS Distance, gain and size ED Ensayos Destructivos END Ensayos No Destructivos EPP Equipo de Protección Personal FCC Cúbico Centrado en las Caras GTAW Soldadura por arco de gas tungsteno HDBSD Detector de electrones retrodispersados HIC Agrietamiento por Hidrógeno Inducido MF Metal fundido MB Metal Base MSS Acero Inoxidable Martensítico MT Magnetic Testing PQR Registro de calificación del procedimiento de soldadura PT Penetrant Testing SDH Side Drilled Holes SE1 Detector secundario MEB Microscopio electrónico de barrido PA Phased Array ROI Region of interest SMAW Soldadura por arco de metal protegido TT Tratamiento Térmico TTPS Tratamiento Térmico Post Soldadura UNS Sistema Numérico Unificado UT Ultrasonic Testing WPS Especificación del procedimiento de soldadura VT Visual Testing ZAC Zona Afectada por el Calor
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RESUMEN
El principal objetivo del presente trabajo es elaborar e implementar el procedimiento de
reparación e inspección del Rodete Francis de la Central Hidroeléctrica San Francisco
mediante sustitución de material de los álabes por insertos metálicos prefabricados. Se ha
procedido a caracterizar el estado del material del rodete en estado de recepción
(espectrometría, dureza, metalografía y ensayos destructivos) y el mecanismo de desgaste
encontrado en los álabes (MEB), para posteriormente documentar paso a paso todas las
etapas de reparación, que mediante la dirección de un Técnico Especialista en Reparación
de Turbinas se ha llevado a cabo, además se realizó un estricto control de calidad en todas
las etapas de reparación mediante plantillaje, escaneo 3D, Ensayos No Destructivos (VT,
PT, MT y UT) y Control dimensional, así mismo se evalúa las transformaciones a nivel
microestructural del Acero ASTM A743 Gr. CA6NM generados en el proceso de
soldadura que combina GTAW y SMAW para finalmente determinar la Temperatura de
Tratamiento Térmico Post Soldadura óptimo. Se encontró que el desgaste de erosión por
cavitación es el más crítico que se da en el lado de presión a la salida de los álabes del
rodete, además de esto se encontró una pérdida de tenacidad del acero debido al
endurecimiento del material por las reparaciones en sitio realizadas durante los
mantenimientos, también se determinó que el corte por plasma en el Acero ASTM A743
Gr. CA6NM genera una ZAC de 2mm, y por último a nivel microestructural se determinó
que un TTPS a 620°C genera una homogenización en el tamaño de agujas de martensita
en las tres zonas de la junta (MB, ZAC y MF). Se recomienda calificar la especificación
del procedimiento de soldadura (WPS) y los procedimientos de inspección mediante
END, y conjuntamente se trabaje en la certificación del personal de todas las áreas del
CIRT para garantizar y asegurar una buena práctica de reparación.
Palabras clave: , , , , ,
, , ,
, .
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SUMMARY
The objective of the current research work is to develop and implement the procedure of
repair and inspection of Francis runners at San Francisco Hydroelectric Power Plant by
replacing the material of blades through prefabricated metal inserts. It proceeded to
characterize the state of the blade material in the receiving state (spectrometry, hardness,
metallography and destructive tests), besides the mechanism of wear found in the blades
(SEM), to subsequently document step by step all the repair stages, that through the
operation of a Specialist Technician in Repair of Turbines has been carried out. In
addition, it made a strict quality control in all the stages of repair by means of stenciling,
3D scanning, Non-Destructive Tests (VT, PT, MT and UT) and dimensional control.
Later, it evaluated the transformations based on microstructural level of steel ASTM
A743 Gr. CA6NM generated in the welding process that combines GTAW and SMAW
to determine finally the Optimal Post Welding Thermal Treatment Temperature. It was
found that wear erosion by cavitation is the most critical that occurs on the pressure side
at the outlet of the impeller blades. In addition, it found a loss of steel toughness due to
the hardening of the material by the repairs carried out during the maintenance. It
determined that plasma cutting in the ASTM A743 Gr. CA6NM Steel generates 2mm
HAZ. Finally, at the microstructural level determined that a PWHT at 620° C generates a
homogenization in the size of martensite needles in the three zones of the joint (MB, HAZ
and MF). It is recommended to qualify the welding procedure specification (WPS) and
inspection procedures through NDT and work together on the certification of personnel
from all areas of CIRT to guarantee and ensure good repair practice.
Keywords: , , , , , , , , , .
-
INTRODUCCIÓN
El presente trabajo de titulación tiene como objetivo principal elaborar e implementar el
procedimiento de reparación e inspección del rodete Francis de la Central Hidroeléctrica
San Francisco mediante sustitución de material de los alabes por insertos metálicos
prefabricados, para lo cual se realizaran una serie de actividades que contribuyan a la
sustentación de conocimientos referentes al tema y además aseguren une buena práctica
de reparación.
La importancia de esta investigación radica en la generación de información en lo que
reparación de rodetes mediante sustitución de material se refiere, debido a que esta técnica
es experimental y no se realiza en base a directrices normalizadas sino en base a la
experiencia.
Para el desarrollo del tema se pretende caracterizar el mecanismo de desgaste encontrado
en los álabes del rodete mediante microscopia electrónica de barrido, ya que esta permitirá
determinar las posibles causas del daño que sufre el elemento hidráulico. Se realizará un
control de calidad riguroso en las diferentes etapas de reparación utilizando técnicas como
el plantillaje, ensayos destructivos, no destructivos y metalografía. El análisis
metalográfico permitirá evaluar las transformaciones microestructurales de los aceros
inoxidables martensíticos usados en la reparación.
En el capítulo I se dan a conocer antecedentes y se formula el problema objeto de estudio.
En el capítulo II se dan a conocer generalidades acerca del estado del país en cuanto a
generación hidroeléctrica, turbinas utilizadas, desgastes que sufren los elementos
hidráulicos, materiales con los que se fabrican estos elementos, reparaciones realizadas y
aspectos del control de calidad aplicados a estos procesos. En el capítulo III se indica la
metodología utilizada y se detalla el proceso de reparación por etapas. En el capítulo IV
se muestran y discuten los resultados obtenidos en la investigación.
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CAPÍTULO I
1. MARCO REFERENCIAL
1.1 Antecedentes
La energía hidroeléctrica es una fuente limpia y renovable puesto que utiliza únicamente
agua, dicha fuente de energía es utilizada por máquinas conocidas como turbinas
hidráulicas. Estas se construyen desde hace mucho tiempo y la tecnología empleada en
ese proceso ya ha alcanzado una gran madurez, con eficiencia máxima mayor al 95%
(Lain, García, Quintero, & Orrego, 2008); es importante indicar que alcanzar esta
eficiencia es complejo ya que cada turbina debe ser diseñada acorde a las necesidades y
requerimientos de cada hidroeléctrica.
Las turbinas hidráulicas son máquinas rotativas accionadas por el agua, de forma que
convierten la energía hidráulica de una corriente o salto de agua, en energía mecánica
(Garrido, Zafra, & Vázquez, 2009). Por su naturaleza estas máquinas se encuentran
sometidas a diferentes esfuerzos, los cuales generan el deterioro de sus componentes.
Existen diversos tipos de turbinas, entre las principales tenemos: Pelton, Francis y
Kaplan, pero en la presente investigación se estudiarán específicamente las turbinas
Francis (turbinas de reacción). Éstas presentan bajas pérdidas hidráulicas, alta eficiencia,
alta velocidad específica, bajos costos en acoplamiento con el generador, operan a
grandes rangos de alturas y caudales; pero presentan problemas de cavitación, bajo
rendimiento a cargas parciales y alto desgaste por erosión debido al diseño del perfil
hidráulico (Morales, Corredor, Paba, & Pacheco, 2014).
Los rodetes Francis por su geometría están sometidos a cambios bruscos de presión, lo
cual provoca cavitación, entendida como el daño provocado por la implosión de burbujas
de vapor presentes en un fluido (Mesa & Sinatora, 2003), y a su vez éste fenómeno
conlleva a la erosión de la superficie de los álabes, que con el paso del tiempo se desgastan
considerablemente; produciendo así la disminución de la eficiencia y he ahí la
importancia de estudiarlo. Debido a que las turbinas operan a carga parcial surge
inestabilidad hidrodinámica lo cual crea altas fluctuaciones de presión no estacionarias
que con el tiempo podrían llevar a un fallo por fatiga del material (Lain, García, Quintero,
& Orrego, 2008).
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En Ecuador existe un gran número de centrales hidroeléctricas, teniendo así una
capacidad de energía eléctrica instalada en el Ecuador es de 5.207 MW siendo la
electricidad proveniente de centrales hidroeléctricas el 53% de la oferta total (Lazo,
2015). En la actualidad el gobierno ha impulsado el cambio de la matriz energética y ha
ejecutado proyectos hidroeléctricos que ayudan al desarrollo industrial, productivo y
social del país (Ministerio de Electricidad y Energía Renovable, 2017); y se estima que
para el año 2022 la energía generada mediante el uso de recursos hídricos alcance el 93%
aproximadamente. La central hidroeléctrica San Francisco tiene 230 MW de capacidad
instalada, dicha energía eléctrica es generada mediante dos turbinas Francis de eje vertical
de 115 MW cada una. Esta central, junto con las centrales Agoyán y Pucará pertenece a
la Unidad de Negocio Hidroagoyán (Lazo, 2015).
En una central hidroeléctrica el proceso de producción es continuo, las turbinas trabajan
las 24 horas del día y sus componentes sufren deterioro, por lo cual se realiza el
Mantenimiento Mayor (Overhaul), que consiste en la reparación total electromecánica de
la unidad, cuyos trabajos generalmente tienen una periodicidad de 10 años, dependiendo
de varios factores como el desgaste, paradas y tiempos de operación (OSINERGMIN,
1997).
Basados en una investigación realizada por CELEP EP en el año 2009, en busca de
empresas ecuatorianas que brinden servicios de reparación de elementos hidromecánicos,
se determinó que hasta ese entonces no existía producción nacional competitiva, por lo
cual era necesario recurrir a países como: Alemania, Suecia, Italia, Chile, Colombia, entre
otros; siendo Chile la mejor opción debido a costos de transporte, logística y tiempo
(Sagñay & Pilamunga, Estudio de factibilidad para el diseño de una Planta Industrial de
Mecanizado para la Reconstrucción de Turbinas Francis y Pelton de Generación Eléctrica
para la empresa CELEC EP, 2012). Como iniciativa de la Unidad de Negocio
Hidroagoyán, se creó el Centro de Investigación y Recuperación de Turbinas Hidráulicas
y Partes Industriales (CIRT), cuyo objetivo es ser líderes en procesos de reparación,
recuperación de turbinas y sus componentes, mediante la mejora continua en sus
procedimientos, investigación, innovación y desarrollo de tecnología.
De la central hidroeléctrica San Francisco ha salido de funcionamiento el rodete Francis
de la Unidad 2 el 01 de abril de 2014 con 44124 horas de operación, y el costo de
adquisición de este rodete corresponde a aproximadamente 3,5 millones de dólares,
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2
dificultando la compra de este tipo de elemento hidráulico (Cañizares & Quinchuela,
2017); como su costo de reparación varía entre el 10 y 20% de dicho valor, se prevé
realizar su reparación en el CIRT luego de verificar su factibilidad.
1.2 Formulación del problema
En los rodetes Francis se produce el fenómeno de cavitación generada por vórtices, estos
vórtices se producen en el tubo de aspiración y provocan oscilaciones de presión que
genera la formación de burbujas y la implosión de estas en la zona cercana al borde de
salida de los álabes. A través de una simulación se nota de manera clara la formación de
este fenómeno y mediante un análisis de esfuerzos se observa que las zonas de las entradas
están sometidas al mayor esfuerzo y por tanto sufrirán daños, y la mejor manera de
corroborar su presencia es observando el daño real producido en el rodete. Al realizar
múltiples recuperaciones por relleno con soldadura lo único que se logra es acelerar el
daño por cavitación y fisuraciones debido al endurecimiento (disminución en la
tenacidad) y fragilización del material debido a las grandes variaciones de temperatura en
el proceso, la falta de control de temperatura de pre calentamiento y tratamientos térmicos
post soldadura, lo que causa un deterioro prematuro de los álabes. Se ha identificado
fracturas en los álabes ocasionadas por los sobreesfuerzos generados en los arranques,
paradas y reparaciones mal realizados del rodete; estos factores conducen al desgaste del
material por distintos mecanismos, y como consecuencia la disminución de su vida útil.
Años atrás en el país no existía una empresa que brinde servicio para su reparación y el
costo del mismo en el extranjero era muy elevado; actualmente, gracias a las adecuaciones
realizadas por parte de la empresa estratégica pública CELEC EP Hidroagoyán, fue
inaugurado el CIRT, mismo que cuenta con la tecnología, laboratorios, maquinaria y
equipos de punta, pero el problema radica en la carencia de información y procedimientos
comprobados para la reparación y recuperación de partes hidráulicas. Por tanto, se
pretende implementar un procedimiento de reparación mediante sustitución de material
de los alabes por insertos metálicos prefabricado ya que este proceso nunca se ha
realizado antes en el país, acompañado de un plan estricto de control y aseguramiento de
la calidad que permita determinar los cambios en la microestructura (tamaño de grano,
fases, inclusiones), morfología, composición química, defectología, propiedades físicas y
mecánicas, en todas las etapas de la reparación.
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1.3 Justificación
En el Ecuador, con el objetivo de promover la generación de energía a través de fuentes
limpias como son las hidroeléctricas y tomando en cuenta el elevado costo que tienen las
reparaciones de las turbinas en el extranjero, se ha impulsado la investigación en cuanto
a procedimientos y tecnologías para su recuperación, para así alejar al país de la
dependencia tecnológica de empresas extranjeras.
CELEC EP cuenta con un Centro de Investigación y Recuperación de Turbinas
Hidráulicas y Partes Industriales (CIRT), lo cual favorece a la ejecución de reparaciones
bajo parámetros técnicos, validados con normas internacionales que garantizan la calidad
del proceso, evitando así reparaciones innecesarias que representan una pérdida de tiempo
y dinero. El CIRT se ha planteado la reparación del Rodete Francis de la Unidad 2
perteneciente a la Central Hidroeléctrica San Francisco, mediante la adquisición a través
de compras públicas de insertos metálicos prefabricados ASTM A182 Gr. F6NM, y de la
contratación del servicio de un Especialista Técnico en Reparación de Turbinas, con lo
que se contribuirá en la elaboración de procedimientos, recolección y documentación de
la información necesaria para dicha reparación.
Con la finalidad de contribuir con el desarrollo de estos procedimientos se pretende
generar y documentar la información para la reparación de rodetes Francis, mediante
sustitución de material de los alabes por insertos metálicos prefabricados, y la verificación
con un adecuado control de calidad mediante la aplicación de metalografía, ensayos no
destructivos y tratamientos térmicos, que garanticen y aseguren una buena práctica de
reparación, lo cual representa una solución viable frente a la adquisición de un rodete
nuevo.
1.4 Alcance
El alcance del presente trabajo es dotar al CIRT perteneciente a la Unidad de Negocio
Hidroagoyán CELEC EP, de un Manual Técnico de Procedimientos para la reparación e
inspección de los álabes fijos de rodetes Francis de una unidad de generación
Hidroeléctrica; lo cual se utilizará como guía técnica con el fin de optimizar: tiempos,
recursos y personal.
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1.5 Objetivos
1.5.1 Objetivo general
Elaborar e implementar el procedimiento de reparación e inspección del rodete Francis
de la Central Hidroeléctrica San Francisco mediante sustitución de material de los alabes
por insertos metálicos prefabricados.
1.5.2 Objetivos específicos
Caracterizar el mecanismo de desgaste encontrado en los álabes del rodete
mediante microscopia electrónica de barrido.
Realizar el control de calidad del rodete en las diferentes etapas de reparación
mediante plantillaje, ensayos destructivos, no destructivos y metalografía.
Llevar a cabo el control de calidad de los insertos prefabricados mediante escaneo
3D (técnica de superposición), ensayos no destructivos y metalografía.
Evaluar las transformaciones microestructurales de los aceros inoxidables
martensíticos ASTM A743 CA6NM y ASTM A182 F6NM durante el proceso de
reparación.
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CAPÍTULO II
2. MARCO TEÓRICO
2.1 Generación eléctrica en Ecuador
La Corporación Eléctrica del Ecuador (CELEC EP) es el ente encargado de la generación
y transmisión de la energía eléctrica a nivel nacional, mediante la producción de energía
a través de centrales hídricas, térmicas y eólicas. CELEC EP cuenta a nivel nacional con
14 Unidades de Negocio, las mismas que a su vez poseen una o más centrales de
generación eléctrica. En la Figura 2-1 se puede apreciar las diferentes centrales de
generación eléctrica ubicadas a nivel nacional.
Figura 2-1: Centrales de generación en el Ecuador. Fuente: (CELEC EP, 2013)
En la actualidad el gobierno ha impulsado el cambio de la matriz energética y ha ejecutado
proyectos hidroeléctricos que ayudan al desarrollo industrial, productivo y social del país
(Ministerio de Electricidad y Energía Renovable, 2017); se estima que para el año 2022
la energía generada mediante recursos hídricos alcance el 93% aproximadamente.
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2.1.1 Centrales hidroeléctricas
El Ecuador tiene una capacidad de energía eléctrica instalada de 5.207 MW, siendo el
53% de la oferta total proveniente de centrales hidroeléctricas (Lazo, 2015, pág. 10), las
mismas que se encuentran ubicadas en sitios donde la geografía del lugar presenta
diferencias de altura y abundantes recursos hídricos, de esta manera el agua adquiere
energía potencial que posterior se convierte en cinética, la cual se utiliza para hacer girar
el rodete de la turbina y de esta forma producir energía mecánica que por transmisión de
movimiento al generador se convierte en energía eléctrica. Las principales características
de una central hidroeléctrica, desde el punto de vista de su capacidad de generación son
la potencia y la energía, las cuales están interrelacionadas por su marco operativo o
precedencia (Caicedo, 2009, pág. 25)
Central Hidroeléctrica San Francisco
Las turbinas que se utilizan en la Central Hidroeléctrica San Francisco son turbinas
Francis de eje vertical, conocidas como turbinas de sobrepresión por ser variable la
presión en las zonas del rodete, o de admisión total, ya que este se encuentra sometido a
la influencia directa del agua en toda su periferia. La aplicación de este tipo de turbinas
es muy extensa, pueden emplearse en saltos de distintas alturas, dentro de una amplia
gama de caudales entre 2 y 200m3/s aproximadamente, para el caso de la Central San Francisco es de 116m3/s y la caída neta es de 200 m. Las turbinas Francis de la Central Hidroeléctrica San Francisco producen 115MW cada
una, teniendo así una producción total de 230MW debido a sus 2 unidades de generación
instaladas, las mismas, que son de rendimiento óptimo, pero solamente entre unos
determinados márgenes, los cuales están entre: 60 y 100% del caudal máximo, esta es una
de las principales razones por la que se disponen de 2 unidades en la central con tal que
ninguna trabaje individualmente, por debajo de los valores del 60% de la carga total
(Ludeña, 2009, pág. 28).
Centro de Investigación y Recuperación de Turbinas Hidráulicas y Partes Industriales
El CIRT, administrado por CELEC EP Hidroagoyán, es el único Centro de Investigación
en el Ecuador que cuenta con la más alta tecnología y mano de obra nacional, en donde
se reparan Turbinas y partes industriales que en el pasado se enviaban fuera del país por
largos periodos de tiempo y con altos costos.
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7
Según un análisis de costos, la reparación de los rodetes en el CIRT representa un ahorro
económico aproximado del 60% del precio al enviarlos al extranjero para su recuperación,
además, los tiempos de entrega se reducen considerablemente, evitando paralizaciones
prolongadas de las Unidades de Generación.
En la actualidad en el CIRT, tanto rodetes y piezas industriales son sometidos a procesos
como: técnicas de ingeniería inversa, levantamiento geométrico, tratamiento térmico,
pulido, soldadura manual y robotizada, ensayos no destructivos, entre otros (Ministerio
de Electricidad y Energía Renovable, 2017).
2.2 Turbinas utilizadas para la generación
Una turbina hidráulica es una turbomáquina motora hidráulica, que aprovecha la energía
de un fluido, ya sea esta potencial o cinética que pasa a través de ella para transformar la
energía de los fluidos en energía mecánica, para aprovechar el movimiento circular que
genera el eje de la turbina (Zegarra, 2015, pág. 1), moviendo así una máquina o bien un
generador que transforma la energía mecánica en eléctrica (López & Ramírez, 2011, pág.
9).
2.2.1 Tipos de turbinas
Las turbinas hidráulicas se pueden clasificar de acuerdo con el cambio de presión en el
rodete o al grado de reacción, teniendo así:
2.2.1.1 Turbinas de acción
Son aquellas en las que el fluido de trabajo no sufre un cambio de presión importante en
su paso a través del rodete, ya que el impacto del fluido es a presión atmosférica, teniendo
que aprovechar únicamente la velocidad del flujo de agua (López & Ramírez, 2011, pág.
9), por este motivo son aprovechadas para grandes saltos, usando en esta acción toda la
energía potencial del fluido para transformarla en energía cinética y esta energía cinética
es transformada en trabajo de eje. La dirección del flujo es tangencial y el impacto del
chorro a los álabes de la turbina es de forma frontal; a este grupo pertenecen las turbinas
Pelton y Michell Banki (Zegarra, 2015, pág. 9).
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2.2.1.2 Turbinas de reacción
Las turbinas de reacción son aquellas en las que el fluido de trabajo sufre un cambio de
presión importante en su paso a través del rodete (López & Ramírez, 2011, pág. 9),
pueden ser de flujo axial (en caso de las turbinas Kaplan y de Hélice) o de flujo diagonal
o radio axial (en caso de las turbinas Francis y Dériaz). La turbina de reacción actúa
aprovechando la velocidad relativamente baja del fluido, pero con alta presión. La presión
va disminuyendo durante su paso a través de los álabes hasta llegar a una presión muy
baja, en ocasiones próximas a cero o incluso negativas (Zegarra, 2015, págs. 9, 11).
También se puede clasificar las turbinas hidráulicas de acuerdo con el tipo de rodete, y
entre las mismas de cada tipo se puede diferenciar sólo por tamaño, ángulo de los álabes
o cangilones (López & Ramírez, 2011, pág. 10). Los tipos más importantes son:
a) Turbinas Kaplan
Son turbinas axiales que están diseñadas para trabajar con saltos de agua pequeños y con
grandes caudales (López & Ramírez, 2011, pág. 10), en estas turbinas las palas del rodete
tienen forma de hélice como se observa en la Figura 2-2, esta turbina es la más eficiente
de todas ya que con ella se da grandes rendimientos (hasta 95% aproximadamente), las
palas o álabes son orientables lo que implica un mejor posicionamiento de estas para un
mejor ingreso de flujo, este movimiento es manejado mediante un servomecanismo que
hace innecesario la instalación de álabes guía o distribuidores (Zegarra, 2015, págs. 12-
13).
Figura 2-2: Rodete Kaplan. Fuente: (GLOBAL Hydro, s.f.)
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b) Turbinas Pelton
Son turbinas de flujo transversal, de admisión parcial, y en vez de contar con álabes tiene
cangilones, y están diseñadas para trabajar con saltos de agua muy grandes, pero con
caudales pequeños (López & Ramírez, 2011, pág. 10). Lo característico de estas turbinas
es que la presión se mantiene constante en el rodete, ya que el chorro es libre y por estar
el chorro impactando en los cangilones de la turbina que están colocadas en la base del
rodete como se muestra en la Figura 2-3 (Zegarra, 2015, págs. 9-10).
Figura 2-3: Rodete Pelton de la Central Hidroeléctrica Coca Codo Sinclair. Fuente: Autores
c) Turbinas Francis
Son turbinas de flujo mixto y de reacción, existiendo algunos rodetes con diseños
complejos que son capaces de variar el ángulo de sus álabes durante su funcionamiento,
además de estar diseñadas para trabajar con saltos de agua medios y caudal medios (López
& Ramírez, 2011, pág. 10). En la actualidad la turbina hidráulica más usada en el mundo
es la turbina Francis, que al transcurrir del tiempo ha ido evolucionando, perfeccionando
su geometría hasta alcanzar altos valores de eficiencia y aprovechando al máximo el
caudal usado. La turbina Francis se caracteriza por ser de presión variable en las zonas
del rodete ya que éste se encuentra sometido a la influencia directa del agua en toda su
periferia. Tiene un buen rendimiento cuando se tiene un caudal cercano del 60 % al 110
% del caudal de diseño (Lain, García, Avellan, Quintero, & Orrego, 2011, pág. 132) y
pueden ser instaladas con el eje en posición vertical siendo esta disposición la más
generalizada (Zegarra, 2015, pág. 14).
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Figura 2-4: Rodete Francis de la Central Hidroeléctrica Lumbaqui. Fuente: Autores
2.2.2 Principales características de funcionamiento
Una turbina hidráulica está diseñada para que funcione un tiempo que oscila entre 15 y
30 años, existiendo turbinas cuyo tiempo de funcionamiento ha sido superior a 50 años,
pero este tiempo de funcionamiento están asociadas a tres elementos: buena operatividad,
buen mantenimiento y buenos procesos de mejoramiento, sin embargo, en los últimos
años las necesidades del mercado de energía han venido exigiendo niveles de operatividad
más amplios, que redundan en la disminución de su tiempo de funcionamiento (Lain,
García, Avellan, Quintero, & Orrego, 2011, pág. 132). Las características básicas de las
Turbinas instaladas en la Central Hidroeléctrica San Francisco se muestran en la Tabla
2-1.
Tabla 2-1: Características turbinas Francis - Central Hidroeléctrica San Francisco.
Tipo de Turbina Francis Simples Cantidad de Turbinas 2 Diámetro del rotor de la Turbina 2450 mm Diámetro del rodete en la salida 3030 mm Número de Alabes del Rodete 13 álabes fijos Número de Alabes Directrices 20 álabes directrices Rotación de la Turbina 327,27rpm Rotación de disparo 548rpm Potencia nominal 115MW/unidad Caída neta nominal 213m Eficiencia máxima 95, % Sentido del Giro Horario (Visto de arriba) Eje Vertical Número de cojinetes de la turbina 1 Tipo de cojinete Cojinete guía auto lubricante tipo casquillo Diámetro de la Válvula Mariposa 3000mm Tipo de accionamiento Accionamiento por los servomotores y
cierre por contrapeso Densidad del agua 0,99985g/cm3 Aceleración de la gravedad 9,777m/s2 Temperatura del agua 16°C
Realizado por: Autores
Fuente: (Ludeña, 2009, págs. 10-11)
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Basándonos en la Figura 2-5, el funcionamiento de la Turbina Francis consiste en la
entrada del agua a través de la tubería forzada hacia el caracol (1), la misma que convierte
la energía potencial en energía cinética, para después dirigirse hacia el rodete (3), cuando
el agua entra en contacto con el rodete gira gracias a las condiciones de caudal y presión
del fluido, y una vez que el agua ha pasado por el rodete, sale de la turbina a través del
tubo de salida o aspiración (4), cuando el rodete gira comunica su movimiento rotacional
al eje de la turbina, que está conectado al generador, mientras que la regulación de la
turbina, es decir la velocidad a la que gira el rodete es controlada por álabes directrices
(2), los mismos que pueden girar permitiendo el ingreso de menor o mayor cantidad al
rodete (López & Ramírez, 2011, pág. 22).
Figura 2-5: Ubicación de los principales componentes de la Turbina Francis.
Nota: 1. Distribuidor, 2. Álabes móviles, 3. Rodete, 4. Tubo de aspiración
Fuente: CIRT
2.3 Tipos de desgaste en los álabes
El deterioro de rodetes hidráulicos es un problema en el proceso de generación de energía
eléctrica ya que causa reducciones en la eficiencia de dichos elementos, siendo uno entre
muchos factores que afectan al rodete de la turbina (López & Ramírez, 2011, pág. 24).
Existen algunos factores que inciden directa o indirectamente sobre la vida útil de las
turbinas, los mismos que se manifiestan en un menor o mayor desgaste de las piezas
(Caicedo, 2009, pág. 142), entre los cuales se puede citar los siguientes:
Diseño y construcción.
Instalación y Montaje.
Condiciones de operación conforme a recomendaciones del fabricante.
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Manutención bajo recomendaciones del fabricante.
Materiales y suministros utilizados en la operación y mantenimiento.
Calidad de agua turbinada.
De todos ellos, el que realmente está fuera de control es la calidad de agua, que depende
de la cantidad de sólidos en suspensión, el tipo de sólidos, las dimensiones y forma de los
sólidos; y es la causante del desgaste de los rodetes, ocasionando la pérdida de partículas
metálicas de la superficie de una pieza por la acción directa o por combinación con una
serie de factores (Martínez, 1989, págs. 28-29).
En las turbinas hidráulicas el desgaste es producido por partículas en el flujo de fluido,
siendo dos los desgastes más comunes, erosión por partículas sólidas y erosión por
cavitación (Caicedo, 2009, pág. 144), en el caso particular de la turbina Francis, se pueden
definir varios modos de falla, que aparecen según las condiciones de operación de la
turbina, bien en el rango óptimo de diseño, o bien en el rango no optimo (carga parcial o
condiciones off-design, es decir cuando la turbina funciona por debajo del 60% y por
encima del 100% del caudal de diseño.), además de la operación con altas concentraciones
de sólidos en suspensión.
El origen de las vibraciones, la cavitación, la erosión por arena y, en general, los
fenómenos que afectan la vida de la máquina se deben a las fluctuaciones de presión (que
surgen al operar la maquina en carga parcial o sobrecarga), la geometría de la turbina, el
medio en que se opera la maquina (presencia de arena en el agua) y la resistencia de los
materiales utilizados en la turbina contribuyen a la reducción de la vida útil de la
turbomáquina, de las cuales la variable más importante es la geometría del rodete, ya que
está relacionada de manera directa con la aparición de vibraciones, las cuales son capaces,
incluso, de destruir toda la instalación de la turbina (Lain, García, Avellan, Quintero, &
Orrego, 2011, págs. 129-130).
Estas condiciones de funcionamiento generan cuatro modos de falla principales: el
primero, la abrasión, que es causado por la interacción de partículas sólidas con las
superficies generando un proceso similar al corte (desbaste); el segundo, la erosión por
arena, que es causado por la interacción de las partículas de arena suspendida en agua
con las superficies sólidas de los componentes de la turbina; el tercero, la cavitación, que
es originada por la formación de vapor de agua y la consecuente implosión de burbujas
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sobre las paredes de la turbina, especialmente sobre le rodete al operar en condiciones
off-design; y, por último, la fatiga de los componentes de la turbina por la aparición de
esfuerzos alternantes de gran magnitud, generados también al operar la turbina en
condiciones off-design (Lain, García, Avellan, Quintero, & Orrego, 2011, págs. 28-29).
2.3.1 Abrasión
El desgaste abrasivo por partículas sólidas o asperezas duras, que se parece mucho al
corte de una serie de máquinas-herramienta, sin embargo, el examen microscópico ha
revelado que el proceso de corte solo se aproxima mediante la arena más aguda y muchos
otros mecanismos más que están involucrados. Las partículas o granos pueden eliminar
el material mediante micro corte, microfractura, extracción de granos individuales o
fatiga acelerada por deformaciones repetidas, como se ilustra en la Figura 2-6 (Neopane,
2010, págs. 2-3).
Figura 2-6: Mecanismos de desgaste abrasivo. Fuente: (Neopane, 2010, págs. 2-3)
El primer mecanismo ilustrado en la Figura 2-6a es el corte, que representa el modelo
clásico en el que un grano afilado o una aspereza dura cortan la superficie más suave,
eliminando el material como residuos de desgaste. Segundo, cuando el material
desgastado es frágil, se puede producir una fractura de la superficie desgastada (Figura
2-6b), en este caso, los residuos de desgaste son el resultado de la convergencia de grietas.
Tercero, cuando un material dúctil es desgastado por un grano contundente, es improbable
que se corte y la superficie desgastada se deforme repetidamente (Figura 2-6c), en este
caso, los residuos de desgaste son el resultado de la fatiga del metal. El último mecanismo
ilustrado (Figura 2-6d) representa el desprendimiento de grano o la extracción de grano,
este mecanismo se aplica principalmente a la cerámica, donde el límite entre los granos
es relativamente débil (Neopane, 2010, págs. 2-3).
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El desgaste abrasivo tiene la virtud de ser posiblemente el mecanismo de desgaste más
fácil de eliminar si se dispone de materiales adecuados, ya que solo se produce cuando la
relación de dureza de las partículas a la del material es mayor a 1.2; cuando la relación
entre la dureza de la partícula y la dureza del material es inferior a 1.2, el desgaste abrasivo
disminuye rápidamente, pero no cesa por completo hasta que la dureza del material es
mayor que la dureza de la partícula por un factor similar de 1.2. Se observa que cuando
las partículas tienen la misma dureza que el material, se produce cierto rasguño y desgaste
del material, aunque el daño a las partículas por aplastamiento y deformación plástica es
considerable (Neopane, 2010, págs. 2-3).
2.3.2 Erosión
Cuando el flujo presenta concentraciones moderadas de arena, se genera un desgaste por
erosión debido a los impactos de las partículas contra las superficies solidas de los
diferentes elementos de la turbina (Lain, García, Avellan, Quintero, & Orrego, 2011,
págs. 129-130), es así que, el desgaste por erosión se define como el proceso de
eliminación de metal provocado por la incidencia de partículas sólidas sobre una
superficie (López & Ramírez, 2011, pág. 26).
Figura 2-7: Parámetros del desgaste por erosión. Fuente: (Neopane, 2010, págs. 2-6)
El desgaste erosivo implica varios mecanismos de desgaste, que están controlados en gran
medida por diferentes parámetros (Figura 2-7): el material de partículas, el ángulo de
impacto, la velocidad de impacto, el tamaño de las partículas (Neopane, 2010, págs. 2-4),
y los patrones de flujo y turbulencia, ya que, si el flujo es turbulento, el número de
colisiones contra la superficie sólida es mayor que si el flujo es laminar, y aumenta la tasa
de erosión (Thapa, Sand erosion in hydraulic machinery, 2004), además, si la partícula es
dura y sólida es posible que ocurra un proceso similar al desgaste abrasivo (Neopane,
2010, págs. 2-4).
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Los mecanismos conocidos de desgaste erosivo se ilustran en la Figura 2-8.
Figura 2-8: Mecanismos de desgaste erosivo. Fuente: (Neopane, 2010, págs. 2-4)
2.3.2.1 Corte por erosión
Cuando las partículas golpean la superficie con un ángulo de impacto bajo y eliminan el
material mediante una acción de corte, el mecanismo de erosión se llama erosión abrasiva.
Las arenas abrasivas ruedan o se deslizan cuando golpean la superficie y causan erosión
por abrasión o mecanismo de corte (Figura 2-8a), eliminando el material mediante
raspado o desguace por los bordes afilados de las partículas que forman cicatrices cortas
de la pista (Neopane, 2010, págs. 2-4).
2.3.2.2 Fatiga superficial
El mecanismo de erosión por fatiga de la superficie (Figura 2-8b) ocurre cuando las
partículas golpean la superficie con un gran ángulo de impacto, pero a baja velocidad,
siendo similar al desgaste debido a la fatiga de la superficie en las superficies rodantes.
La superficie no puede ser deformada plásticamente, pero por otro lado la superficie se
debilita debido a la acción de la fatiga y las grietas se inician en la superficie después de
golpear repetidamente, teniendo un desprendimiento de las partículas de la superficie
después de varios golpes (Neopane, 2010, págs. 2-5).
2.3.2.3 Deformación plástica
La deformación plástica de la superficie (Figura 2-8c) se produce debido a la formación
de escamas alrededor del punto de golpeo cuando las partículas golpean la superficie
elástica con velocidad media y gran ángulo de impacto, con dicho golpe repetido en los
copos, el material se desprenderá como escombros (Neopane, 2010, págs. 2-5).
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2.3.2.4 Fractura por fragilidad
Cuando las partículas golpean la superficie quebradiza con un gran ángulo de impacto a
velocidad media, se produce una erosión por fractura frágil (Figura 2-8d), y si las
partículas son afiladas, es más probable que ocurra una fragmentación frágil y que las
partículas se desprendan del material por agrietamiento debajo de la superficie (Neopane,
2010, págs. 2-5).
El grado de desgaste tiene relación con el ángulo de impacto de la partícula (Figura 2-7)
respecto de la superficie (López & Ramírez, 2011, pág. 26), teniendo una máxima tasa de
desgaste por erosión cuando el impacto está entre 10° a 30° en los materiales dúctiles,
mientras que dicha tasa de desgaste baja cuando se presenta ángulos de impacto normal;
y para los materiales frágiles, la tasa de desgaste por erosión se incrementa a medida que
el ángulo de impacto aumenta y es más alta para impacto normal (Baena, 2008, pág. 15).
La Figura 2-9 muestra la variación de la tasa de desgaste por erosión respecto al ángulo
de impacto para materiales dúctiles y frágiles.
Figura 2-9: Tasa de erosión como función del ángulo de impacto. Fuente: (Thapa, Sediment in Nepalese hydropower projects; Neopane, 2010, págs. 2-7)
Los materiales dúctiles parecen deformarse y posiblemente se endurezcan cuando se les
golpea en forma perpendicular, pero a un ángulo crítico de 30º como se muestra en la
Figura 2-9, el metal se elimina por una acción de corte, y al tratarse de las turbinas, se
habla de erosión por sedimentos, que es un fenómeno que afecta el rendimiento de las
tur